PET显像系统物理过程的分析与模拟

论文摘要

本文工作是mPowerPET样机性能评估的理论基础,该课题由东软派斯通公司完全资助。正电子发射断层显像(Positron Emission Tomography,以下简称PET)技术是当今最高层次的核医学诊断与研究技术之一,它能够无创伤、定量、动态地评估动物／人体内各种器官的代谢水平、生化反应、功能活动等情况,并在重大疾病的预防和治疗中有独特的应用价值。本文在深入理解和分析PET原理及物理过程的基础上,运用GATE工具包对mPowerPET系统进行大量的分析与模拟。GATE(Geant4 Application for Tomographic Emission)是由Open GATE协作组织基于高能物理工具包Geant4基础上开发的一款蒙特卡罗模拟软件。现已广泛应用于新型的核医学成像设备(如：PET、SPECT等)、散射校正技术以及对系统的改进等方面。本论文以该软件工具包为基础,构建了mPowerPET样机的整个物理模拟过程。同时针对mPowerPET样机的几何特点,利用C语言程序,以离线处理方式对原始符合事件按照径向距离进行编码,然后将编码后的数据存放于Sino gram阵列中,并用弦图的形式显现出来。本文借助Linux虚拟工具,将GATE模拟工具包移植到Windows系统下,并增加了网络控制界面,实现GATE系统的并行化模拟,提高了GATE模拟的运算速度。在此基础上,本文对γ光子的偏向角、正电子发射位置与湮灭点位置的相对偏差进行了分析,同时还对LSO和BGO晶体的能量窗和有效利用率进行了模拟分析。分析结果表明,模拟数据对现实PET的研发有着很好的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 PET主要技术指标
• 1.3 研究内容及意义
• 1.4 全文的安排
• 第二章 PET系统分析
• 2.1 PET显像系统结构
• 2.1.1 扫描仪
• 2.1.2 事件探测及处理系统
• 2.1.3 存储装置
• 2.1.4 操作和分析工作站
• 2.2 PET显像原理
• 2.3 PET扫描方式
• 2.3.1 事件的种类
• 2.3.2 扫描方式
• 第三章 PET成像物理过程及影响图像质量因素的校正分析
• 3.1 正电子的产生与湮灭
• 3.2 γ光子与物质的相互作用
• 3.2.1 光电效应
• 3.2.2 康普顿效应
• 3.2.3 电子对效应
• 3.3 γ射线的吸收及衰减
• 3.4 影响图像质量因素的校正分析
• 3.4.1 探测器归一化（detector normalization）
• 3.4.2 放射性衰变校正（decay correction）
• 3.4.3 组织衰减校正（attenuation correction）
• 3.4.4 随机符合校正（random coincidence correction）
• 3.4.5 散射校正（scatter correction）
• 3.4.6 死时间校正（dead time correction）
• 3.4.7 脏器运动校正（moving correction）
• 3.5 需求分析
• 第四章 基于GATE的模拟程序设计
• 4.1 GATE简介
• 4.2 GATE模拟构架及其模块功能
• 4.2.1 Material模块
• 4.2.2 Surface模块
• 4.2.3 Geometry模块
• 4.2.4 System模块
• 4.2.5 Sensitive Detectors模块
• 4.2.6 Physical模块
• 4.2.7 Source模块
• 4.2.8 Digitizer模块
• 4.2.9 Output模块
• 4.3 GATE模拟的平台架构
• 4.3.1 GATE任务的分解
• 4.3.2 控制平台
• 4.3.3 文件的合并
• 4.4 基于GATE的模拟程序设计
• 4.4.1 mPowerPET系统的主要参数
• 4.4.2 mPowerPET系统的技术特性
• 4.4.3 GATE模拟的程序设计
• 第五章 模拟实现与结果分析
• 5.1 2D和3D采集的实现
• 5.2 Sinogram的分析
• 5.3 棒源的旋转实现
• 5.4 γ光子不共线性分析
• 5.5 γ光子能量-计数曲线分析
• 5.6 晶体反应深度分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文